Biotecnología y microbiología industrial
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BIOTECNOLOGÍA Microbiana ¿Qué es la biotecnología? La biotecnología agrupa a un conjunto de técnicas que utilizan seres vivos o compuestos procedentes de ellos para la obtención de productos y bienes. La biotecnología es una actividad antigua, que comenzó hace miles de años cuando el hombre descubrió que al fermentar las uvas se obtenía un producto como el vino. También es biotecnología la fabricación de pan mediante el uso de levaduras, la elaboración de quesos mediante el agregado de bacterias. El yogurt también es un producto que se obtiene mediante procesos biotecnológicos desde la antigüedad. La biotecnología se aplica a diferentes ramas de la industria: alimenticia, textil, de detergentes, de combustibles, de plásticos, de papel, farmacéutica, etc. En general lo que se usa son productos del metabolismo de los microorganismos. A diferencia de la biotecnología tradicional, la biotecnología moderna surge en la década de los 80, y utiliza técnicas, denominadas en su conjunto ingeniería genética, para modificar y transferir genes de un organismo a otro. A través de la biotecnología moderna es posible producir insulina humana en bacterias. Por ingeniería genética también se fabrica la quimosina, enzima clave para la fabricación del queso y que evita el empleo del cuajo en este proceso. La ingeniería genética también es hoy una herramienta fundamental para el mejoramiento de los cultivos vegetales. Microbiología industrial La microbiología industrial cultiva microorganismos a gran escala para obtener productos comerciales de gran valor. En la actualidad con los métodos de manipulación genética algunos microorganismos han sido modificados (OGM) obteniéndose pequeñas factorías vivientes preparadas para fabricar productos útiles que los microorganismos no producen de manera natural. En microbiología industrial se denominan fermentaciones a cualesquiera de los procesos microbianos que se realizan a gran escala, sean o no bioquímicamente una fermentación La mayoría de las fermentaciones industriales se realizan en unos tanque denominados fermentadores o biorreactores. Principales productos de la microbiología industrial Alimentos y aditivos alimentarios Bebidas alcohólicas Pan Productos lácteos Vitaminas Productos industriales Enzimas Ácidos orgánicos Acetonas,… Aminoácidos,… Compuestos farmacéuticos y médicos Biocombustibles Antibióticos Biodiesel Hormonas Bioetanol,… Esteroides,… En la industria alimentaria Muchas son las industrias de producción de alimentos en las que los microorganismos desempeñan un papel fundamental. Fabricación de pan • Los microorganismos que intervienen en la fabricación del pan son levaduras del género Sacchomyces cerevisae, las cuales llevan a cabo una fermentación alcohólica que emplea como sustratos de fermentación los glúcidos presentes en la harina de trigo. • Los productos obtenidos en la fermentación son etanol, que se evapora en la cocción, y CO2, responsable del esponjamiento del pan. • La reacción de fermentación es: C6H12O6 2 etanol+ 2 CO2 + 2ATP Obtención de bebidas alcoholicas • En la fabricación del vino y la cerveza también interviene la levadura Saccharomyces cerevisiae, que realiza una fermentación alcohólica semejante a la del proceso de elaboración del pan. • En el caso del vino, el sustrato de fermentación lo constituyen los glúcidos presentes en el mosto, zumo natural de las uvas, rico en fructosa y glucosa. • La levadura, que se encuentra de forma natural sobre la piel de las uvas, transforma estos azúcares en etanol y CO2. El CO2 resultante de la fermentación se evapora o se elimina artificialmente, excepto en el caso de los vinos espumosos. • La cerveza se elabora a partir de cereales, principalmente cebada, que contienen almidón en sus granos. Como el almidón no fermenta directamente, se hace germinar las semillas, lo que hace que produzcan amilasas que degradarán el almidón a glucosa. Obtención de vinagre Las bacterias del ácido acético (como Acetobacter y Gluconobacter) convierten el etanol en ácido acético en la elaboración del vinagre. Fabricación de derivados lácteos • En la elaboración del queso y productos como el yogur o la cuajada interviene un grupo de bacterias, llamadas bacterias lácticas, que fermentan glúcidos sencillos para producir ácido láctico. • Estas bacterias, se encuentran de forma natural en la leche sin esterilizar. Las más importantes son de los géneros Lactobacillus y Lactococcus. La reacción de la fermentación láctica es la siguiente: C6H12O6 2 ácido láctico + 2ATP El ácido láctico producido actúa como un conservante natural y evita así su deterioro por otros microorganismos. • Durante la fase de maduración de algunos quesos es fundamental la intervención de determinados microorganismos. El sabor del queso Emmenthal se debe al ácido propiónico producido por una bacteria, y sus característicos «agujeros» son el resultado del CO2 desprendido durante la fermentación, que queda atrapado en la masa del queso y forma pequeñas burbujas. El hongo Penicillium roquefortii es el responsable del color, olor y sabor característicos del queso de roquefort. En la industria farmacéutica La obtención de productos farmacológicos más puros y más baratos constituye uno de los campos de aplicación de la biotecnología que más progresos ha experimentado en los últimos años. Obtención de antibióticos Los antibióticos son sustancias producidas de forma natural por ciertos microorganismos (mohos, eubacterias y actinomicetes) que inhiben el crecimiento de otros microorganismos. Algunos antibióticos deben ser modificados antes de ser utilizados para evitar sus efectos tóxicos. Las actinobacterias del género Streptomyces producen antibióticos como la estreptomicina, eritromicina, y tetraciclina. Los hongos del genero Penicillium producen penicilinas, los primeros antibióticos descubiertos. Obtención de vacunas La utilización de microorganismos vivos como agentes de inmunización entraña ciertos riesgos, por lo que la biotecnología se ha esmerado en encontrar procedimientos que garanticen la inactivación de los patógenos y la producción industrial de vacunas, lo que ha permitido erradicar ciertas enfermedades que anteriormente provocaban estragos en las poblaciones. Actualmente, se tiende a fabricar vacunas recombinantes, obtenidas por ingeniería genética, como es el caso de la vacuna contra la hepatitis B. Obtención de otras sustancias de interés médico o farmacológico Otras sustancias, como hormonas (insulina, hormona del crecimiento, hormonas esteroídicas), algunos factores de coagulación sanguínea o ciertos enzimas utilizados en fármacos se obtienen también a partir de cultivos de microorganismos en los que se ha insertado, mediante procedimientos de ingeniería genética, los genes que interesan. Biotecnología ambiental Es un conjunto de procesos mediados por microorganismos cuya finalidad es la conservación y preservación del medio ambiente. Tiene dos líneas de actuación: La biorremediación: es la utilización de microorganismos para eliminar sustancias contaminantes del medio ambiente La biodegradación: es la degradación de materiales como papel, pintura, fibras textiles, hormigón o hidrocarburos mediante microorganismos. Eliminación de mareas negras y otros contaminantes Existen diversos microorganismos, entre los que podemos destacar las bacterias del género Pseudomonas, que son capaces de descomponer el petróleo por lo que pueden ser empleados en la eliminación de mareas negras. Existen también microorganismos capaces de degradar otras muchas sustancias tóxicas contaminantes. Eliminación de metales pesados, pesticidas, insecticidas y herbicidas Metales como el plomo, mercurio o cadmio altamente tóxicos para los seres vivos, lo mismo que sustancias como insecticidas que pueden incorporarse a las cadenas tróficas pueden ser eliminados por procesos de biorremediación. Eliminación de residuos humanos En la depuración de aguas residuales se combinan procesos físico-químicos con tratamientos microbianos para eliminar la materia orgánica y las sustancias tóxicas presentes en el agua antes de devolverla a los ríos. La depuración de las aguas residuales se lleva a cabo en dos fases: -El tratamiento primario, que consiste en eliminar las partículas de materiales insolubles en suspensión, por procedimientos físicos, como filtrado, sedimentación y adición de agentes precipitantes. -El tratamiento secundario es la eliminación biológica de la materia orgánica disuelta.. Esta fase se basa en la actividad microbiana. Compostaje Actualmente, en muchos vertederos urbanos se está poniendo en marcha un proceso para el tratamiento microbiano de las basuras, que recibe el nombre de compostaje, en el cual los mismos microorganismos presentes en la basura llevan acabo una fermentación mediante la que eliminan una parte importante de los residuos y se obtiene un producto (compost) utilizable como sustrato para el cultivo vegetal. Biocarburantes Biodiesel Combustible que se obtiene por un proceso de esterificación de triglicéridos con alcoholes de bajo peso molecular. La fuente de triglicéridos son aceites de girasol , soja o colza, sebo de vaca o aceite procedente de fritura doméstica. Como catalizadores se utilizan enzimas procedentes de microorganismos. A diferencia del gasóleo el biodiesel es biodegradable y no es tóxico. Bioetanol Es alcohol etílico obtenido por fermentación de azúcares procedentes de cereales, remolacha, caña de azúcar o biomasa (residuos forestales, cáscaras de cereal, residuos sólidos urbanos, etc.)